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1、混合动力汽车发展综述1 引言全球能源及环境问题日益突出：一方面石油资源作为不可再生能源日益紧缺；另一方面传统的燃油发动机车辆废气排放对空气造成严重污染。为此替代燃油发动机汽车的方案也越来越多，例如氢能源汽车、燃料电池汽车、混合动力汽车等，但目前最有实用性价值并已有商业化运转模式的只有混合动力汽车。混合动力汽车 （Hybrid ElectricalVehicle)是指同时装备热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车，如图 1 所示。图 1混合动力汽车动力源纯电动力源汽车虽然可以真正做到零排放，但其最大的问题是电池寿命短及每次充电后行驶里程少，每次停车充电时间长，需
2、增加路边充电站, 基础设备投资很大，电池的损耗费用占很大比例。基于这些原因，纯电动车仅适用于一些特殊场合，目前市场份额较小，而混合动力汽车实质上是一个折中方案，它的出现是为了解决纯电动车存在的技术性问题，在目前燃料电池技术尚未成熟之际，可以说是一个比较好的方案。在混合动力汽车上使用电机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。2 混合动力汽车传动系统分类混合动力总成按动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混联式三种。串联式有本田的 CIVIC HYBRID，并联式车型有丰田Coaster Hybrid EV、君越 Eco
3、-Hybrid ，混联式有丰田 PRIUS、LEXUS GS450h等。2.1串联式串联式混合动力汽车动力流向如图1 所示：1蓄电池逆变器电动机驱动轴发电机发动机图 1串联式简图图 2串联式混合动力汽车传动系统由图 1 可以看出，串联式混合动力汽车动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，它们之间用串联的方式组成的动力单元系统，发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。小负荷时仅由电池驱动电动机驱动车轮，实现零排放；大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。当车辆处启动、加速、爬坡工况时，发动机电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处于
4、低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，当电池组缺电时则由发动机发电机组向电池组充电。串联式混合动力汽车传动系统布局如图2 所示。串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。但是它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。2.2并联式并联式混合动力汽车动力流向如图3 所示：蓄电池逆变器电动机耦合器驱动轴发动机图 3并联式简图图 4并联式混合动力汽车传动系统2并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可
5、以分别独立地向汽车传动系统提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动发电机组。 由于没有单独的发电机， 发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的应用。并联式混合动力汽车传动系统布局如图4 所示。2.3混联式混联式混合动力汽车动力流向如图5 所示：发动机行 星 齿电动机驱动轴轮机构发电机逆变器蓄电池图 5混联式简图图 6混联式混合动力汽车传动系统
6、混联式装置包含了串联式和并联式的特点。动力系统包括发动机、发电机和电动机，根据助力装置不同，它又分为发动机为主和电机为主两种。以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源；以电机为主的形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源。该结构的优点是控制方便，缺点是结构比较复杂。并联式混合动力汽车传动系统布局如图6 所示。3 典型混合动力汽车原理解析3.1丰田 Prius 混合动力原理解析丰田的 Prius属于以电机为主的形式。它的混合动力总成包括两个动力源，发动机与3电动机。还有包含了发电机、内置动力分离装置的混合动力专用变速器、镍氢电池组和动力控制总成。丰田Pruis混合动力系统有
7、一个特点，就是采用行星齿轮变速结构，变速器内置动力分离装置，行星齿轮机构巧妙地将减速器、发电机和电动机等动力部件偶合在一起，同时行星齿轮又起到无级变速器的功能，结构十分紧凑，形成一个集成化混合动力总成系统如图 7 所示。图 7 Prius混合动力总成系统图 8低速行驶动力源启动以及中速以下行驶，此时发动机效率低下，因此Prius 的发动机关闭，仅由大功率电动机驱动车辆，如图8 中箭头 A 所示。在常规行驶时，发动机做主动力源，由动力分离装置将动力分成两路，一路驱动发电机进行发电，产生的电力驱动电动机运转，如图9中箭头 B 所示，另一路则直接驱动车轮，如图9 中箭头 C 所示。系统会自动对两条路
8、径的动力进行最佳分配，以达到效率的最大化。图 9正常行驶动力源图 10加速行驶动力源当要加速时，电池组会加进来为电动机供电，增强电动机输出功率，如图10 中箭头 A所示。4当减速或制动时，则由车轮的惯性力驱动电动机。这时电动机变成了发电机，车辆制动能量转换成了电能，如图11 中箭头 D所示。图 11减速行驶充电图 12自动充电电池组电量保持在一个恒定水平。当系统发现电池组电量下降会启动发动机驱动发电机发电，向电池组充电，如图12 中箭头 E 所示。Prius 的混合动力技术， 在带来燃油经济性的同时还保证了其出众的动力性能。在正常驾驶环境下，由于拥有发动机和电动机的双重动力，普锐斯的加速性能绝
9、对毋庸置疑，其虽然是 1.5L 排量的小车，但它的加速能力绝对可以媲美普通2.0L 的车辆。3.2君越 Eco-Hybrid 混合动力原理解析混合动力汽车按动力混合程度不同可分为全混合动力、辅助混合动力、 轻度混合动力和插电式混合动力四个类别，别克君越采用的是轻混合动力技术，而3.1 节中介绍的丰田Prius 采用的则是全混合动力技术。采用轻度混合动力技术的车辆，电动机仅为助力作用，并不能单独推动车辆前进，这也使得其油耗仅可降低15%左右，与全混合动力车辆无法相比。以下是君越Eco-Hybrid 的工作原理。图 13电动助力图 14智能充电如图 13 所示，车辆需要起步或急加速时， 三相交流双
10、向电机利用电池中的电力辅助驱动车辆，提升加速性和操控平顺感，同时降低发动机的油耗。如图14 所示，重踩油门（或5匀速行驶）时，电机控制器会智能判断车辆加速（维持车速）所需能量，并将产生的多余能量回收至电池中。图 15减速断油图 16能量回收如图 15 所示，当车辆减速或靠惯性行进时，燃油供应将被自动切断，直至需要加速或维持车速时，燃油供应才会恢复正常状态，大大降低油耗。如图 16 所示，车速降低（制动或车辆靠惯性滑行）过程中，部分能量将被回收并存储在电池中，为电机助力状态提供储备能量。图 17智能停机如图 17 所示，怠速时，发动机将自动停转，车内运转由电池中的电能维持，不仅实现怠速零油耗和零
11、排放，更营造出车内极致宁静的舒适氛围。根据工作原理可以看出，君越的混合动力方式在车辆起步、制动以及怠速行进时是其省油的时候，而在车辆加油正常行进时依然主要依靠燃油发动机提供动力，并不能明显的降低能耗。4 展望当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，除了能耗较高，更为严重的是污染环境。而混合动力汽车则针对不同的道路环境实施不同的供能方案，能大大降低排放污染程度。例如在城市运行时，当交通堵塞或遇到红灯时发动机会关闭，当车队移动时或信号灯转为绿灯时驾驶者只要轻踩加速踏板，电动机就能驱动汽车前进。在市区内当汽车发动机6无效率空转或车辆移动缓慢时， 使用电动机作动力源不但对环境有利， 而且还减少了噪音
12、。因此，越是在交通日益拥挤的大城市使用混合动力汽车，就越能够显示出它的节能、环保、适应能力广的优越性。从目前的发展来看，计算机技术和自动控制技术，以及各种智能控制系统在混合动力汽车上的逐渐应用，将进一步促进混合动力汽车的发展。与传统型汽车相比，混合动力汽车充分吸取了电力及热力系统中最大的优势，在节能和排放上胜出一筹；与纯电动汽车相比，混合动力汽车的电压和功率等级与电动车类似，但蓄电池容量大大减小，因而其造价成本低于电动汽车。当前混合动力车辆所面临的技术问题还很多，比如汽车电池较易老化且可靠性与预期有差距，再加上生产成本高于燃油动力车辆，市场占有率较小，尽管从汽车制造技术的长远发展来看，混合动力车辆只是由燃油动力车辆到纯电动车的过渡类型，但其在近几十年内会很有发展前景，这一点是毫无疑问的。7